巨大な新型望遠鏡や全長数マイルの粒子加速器といった大規模科学プロジェクトについて耳にするとき、それはたいてい、それらが成し遂げた大きな科学的発見という文脈の中で語られます。しかし、誰かが大きな科学的ブレークスルーを達成する前に、誰かがこれらの巨大な施設を設計し、建設する必要があります。そしてそれは、国際的な協力体制を構築し、送電線を敷設し、コンクリートを流し込むだけでも過酷な気象条件に耐えなければならないことを意味します。
光ファイバー線をかじるネズミから、摂氏38度（摂氏約40度）の暑さをしのぐためのインフレータブルテントまで、科学は現実世界と出会うと厄介な問題になりかねません。私たちは、現在進行中および今後予定されている3つの大規模科学プロジェクトの代表者にインタビューし、岩と土の不毛な土地を世界クラスの観測所に変えるには何が必要なのかを聞きました。
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新しいものを発見
多くの大規模施設は既存のプロジェクトの漸進的な改善に過ぎませんが、時に科学は全く新しい方向へと前進することがあります。2015年にLIGO（レーザー干渉計重力波観測所）が初めて重力波を検出した時がまさにその例です。この成果により、研究者たちはノーベル物理学賞を受賞しました。
重力波の検出に成功した施設は、当初は「初期LIGO」と呼ばれる簡素なバージョンでした。重力波の検出に必要な検出器の感度を達成できるかどうかをテストするために設計され、この「基本」バージョンでさえ、数十年にわたる計画と開発を要しました。
シラキュース大学の重力波専門家で、施設の初期バージョンと改良バージョンの両方に携わったステファン・バルマー氏は、最初の施設を建設するきっかけについて次のように語った。「私たちは、この驚異的な感度を達成できると考えています。ですから、実現可能であることを証明するために、最小限の費用をかけようと考えました。」
「実際に機械の電源を入れるとすぐに、イベントが発生し始めました。」
初期のLIGOは2002年から2010年まで運用されていましたが、その間、重力波は一度も検出されていませんでした。しかし、それは必ずしも失敗ではありませんでした。なぜなら、LIGOは重力波の検出に必要な感度を達成したからです。多くの人が重力波の検出が可能かどうか確信が持てなかったのです。
「人々が全体に疑問を抱いていたとしても、それは重力波の存在を信じていなかったからではありません。重力波を観測するために必要な性能に懐疑的だったのです。そしてその意味で、初期LIGOは期待に応えたのです」とバルマー氏は説明した。
こうして研究者たちは、施設をAdvanced LIGOへとアップグレードするための資金を確保し、2008年に作業を開始しました。改良された検出器のおかげで、観測所はほぼ即座に検出に成功しました。「Advanced LIGOのおかげで、幸運にも装置を起動させるとすぐに、現象が観測され始めました。」
適切な場所を選ぶ
今日の大規模プロジェクトにおける最大の課題の一つは、その立地です。こうしたプロジェクトは通常、大規模な国際協力事業であるため、計画者は環境的に適切で、かつ地元自治体がプロジェクトを支援する意思のある場所を見つける必要があります。
「これが今日の大きな課題です。一国だけでは、次のフロンティアに必要な規模のものを実現することは不可能です」と、スクエア・キロメートル・アレイ・オブザーバトリーの副所長兼プログラムディレクター、ジョセフ・マクマリン氏は述べた。「だからこそ、こうした国際的な協力が必要なのです。」
スクエア・キロメートル・アレイは、南アフリカと西オーストラリアの2か所にアンテナを建設する、今後建設予定の電波天文観測所です。これらの場所が選ばれたのは、主に電波観測における最大の懸念事項である無線周波数干渉のためです。携帯電話やノートパソコンなど、人間が電波を発している場所では、この放射線が天文学者が検出しようとする微弱な信号を妨害する可能性があります。
「私たちの取り組みの課題は、非常に微弱な電波源を、大気圏の様々な遮蔽物、場合によっては星間物質や銀河間物質を通して観測することです。そして、私たちの機器のあらゆるシステム特性を検証し、特定の信号を保持できるように調整することです」とマクマリン氏は説明した。「追加の送信は、こうした影響を複雑化させます。」
問題は、電波干渉レベルが低い場所は人口も少ない傾向があり、建設が難しいことだ。理論上は、南極のような場所が電波望遠鏡を設置するのに最適な場所だが、そのような場所では建設や人員配置が難しいため、現実的ではない。
「私たちはよく天文台を建設していると考えていますが、実際には都市を建設しているのです。」
SKAの建設地として選ばれた2つのサイトは、既にパートナー機関が運用する望遠鏡が設置されているため、既存のインフラをある程度備えているという利点があります。適切な場所に望遠鏡を集中配置することで、道路建設や電力・水道管の敷設といった作業負荷を分散させることができます。
そして、建設作業員のための宿泊施設や食堂といった構造物の建設を始める前に、これらはすべて必要なのです。「私たちはよく天文台を建設していると思っていますが、実際には都市を建設しているのです」とマクマリン氏は言います。
負担を分担する
チリのセロ・パチョン山に建設中のベラ・ルビン天文台の計画を立案していた研究者たちも、同様の懸念を抱いていました。観測には雲量が少なく、夜間に十分な晴天が確保できる場所が必要でしたが、同時に適切なインフラを備えた場所も必要でした。
彼らが選んだ山にはすでに、ジェミニ望遠鏡とSOAR望遠鏡という2つの大型望遠鏡が設置されており、さらに隣の山には、さらに小型の観測装置などが設置されている。
「私たちは非常に辺鄙な場所にいますが、孤立しているわけではありません」と、ルビン天文台の望遠鏡・敷地プロジェクトマネージャー、ジェフ・バー氏は説明した。「近隣住民がいて、彼らが既に構築していたインフラを必要としていたのです。」
つまり、電力と水は既に近くにあり、建設作業員や機材を山頂まで運ぶための重要な道路も整備されていたということです。また、アンテナを使った放送システムという既存の通信インフラもありましたが、ルービンが毎晩生成する膨大な量のデータには到底対応できませんでした。
そこでルビン天文台は通信用の光ファイバー回線を敷設することに同意しました。これはルビン天文台だけでなく、山中の他の天文台にも利用できるようになります。これらの天文台はAURA（天文学研究大学協会）と呼ばれる同じコンソーシアムに加盟しており、相互にインフラを共有しています。
「新しい天文台は必ずと言っていいほど、ある種の協力関係を築いています」とバー氏は語った。「それまで存在しなかったものを提供するので、山での作業に必要な費用と投資を共同で分担することになります。」
基礎を築く
光ファイバー回線を敷設するのは簡単だろうと思われるかもしれません。多くの都市部で一般家庭に光ファイバー接続を提供する企業が増えているのと大差ありません。しかし、このような遠隔地での敷設には、いくつかの課題があります。
谷間には既存の電柱に電力線が張られていたため、チームは同じ電柱に光ファイバー線を張ることができました。しかし、ルビン観測所や他の観測所のために分岐された後、光ファイバー線は大部分を地下に埋設しなければなりません。
「あの山で作業する上での難しさの一つは、掘り始めるとすぐに、15センチほど深くまで掘り進むと、そこは硬い岩盤だということです。本当に硬いんです」とバー氏は語った。「どんな大きさの穴でも、事実上爆破しなければなりません」
そのため削岩機の設置が困難になり、多くの場合、電線は可能な限り深く敷設され、その上に岩が盛られます。この岩はある程度の保護効果はありますが、それでも電線は地元のネズミの被害を受けやすく、ネズミは定期的にケーブルをかじります。「害虫駆除サービスは常時行っていますが、それでも電線がかじられた場合は、後戻りして修理しなければなりません。」
バー氏は、このような野生の環境で作業する上で、空腹のげっ歯類の存在は避けられないと語った。「とても自然な環境です。観測所のすぐ周辺を除けば、ほとんど山の風景です。」
観測所は、その地域に生息する珍しい（そして非常にかわいい）ウサギに似たげっ歯類であるサボテンやビスカチャなどの絶滅危惧種の生息地を含む環境への影響を最小限に抑えるためのガイドラインに従って活動しています。
遺産の影響
保存への懸念は環境問題だけに当てはまるわけではありません。天文台の建設予定地の中には、人類にとって重要な遺産となっている場所もあります。例えば、西オーストラリア州のSKA施設はワジャリ・カントリーに位置しています。ワジャリ・ヤマジ族は、望遠鏡が建設される土地の伝統的な所有者です。そのため、SKAはワジャリ族と協力して文化遺産の保護に努めており、例えば、着工前にワジャリ族の文化遺産監視員が現地を巡視し、建設中も継続的にモニタリングを行っています。
「彼らは私たちの同僚であり、隣人であり、根本的にチームの一員です。彼らの多くは、天文台の建設において私たちと共に役職に就いています」とマクマリン氏は述べた。「彼らは天文観測においても豊かな歴史と伝統を持っています。ですから、私たちは、それぞれ異なる技術を用いて、これらのものを結びつけているのです。」
また、オーストラリアと南アフリカの両施設は、最終的には土地を元の状態に戻すために廃止される予定となっており、その長期的な影響も考慮されている。
「私たちはこれを50年間観測する計画です」とマクマリン氏は述べた。「つまり、そこに行き、建設し、研究を行い、そして廃止するのです。その地域を以前と同じ状態に戻すのです。」
困難な環境での建設
西オーストラリアの気温が華氏 100 度を超える場合や、セロ パチョンの強風や地震の危険性がある場合など、天文台を建設したい場所が建設に適していないことはよくあります。
チリの山へのアクセスは、雪が降る冬の間は数週間遮断される可能性があり、アクセスできたとしても、状況によっては他の場所よりも作業に時間がかかることになる。
「物事は期待したほど速く進まないことを理解しなければなりません」とバー氏は述べた。「技術的な仕事をしようとすると、敵対的で歓迎されない環境になります。設計するほぼすべてのことにおいて、そのことを考慮に入れなければなりません。」
「検出器の最大の部分がまったく何もないというのは皮肉なことだ。」
オーストラリアでは、SKAチームは10万台以上のアンテナを様々な場所に設置する必要があるため、高温と紫外線の影響に対処するため、可能な限り設置準備作業を現場外で行います。現場に到着すると、作業中に天候から身を守るため、特別に設計された空調付きの膨張式テントを使用します。
しかし、それほど過酷ではない場所でも課題はあります。次世代の重力波検出器の設計者には、全長25マイル（約40キロメートル）にも及ぶ非常にまっすぐで平坦なチューブを設置する必要があります。
「検出器の最大の部品が全く何もないというのは皮肉なことです」とバルマー氏は言った。「長さ40キロメートルの真空管をどこかに収めなければならないのです。」
米国で計画されている検出器については、十分な設置スペースがあるため、主に地上に設置する計画です。しかし、ヨーロッパでも重力波検出器の設置が計画されていますが、地上に設置するのに十分な土地がないため、地下に設置せざるを得なくなる可能性が高いでしょう。これは建設費の増加につながるだけでなく、メンテナンスもはるかに複雑になります。
「私たちが追い求めているのはシンプルさです」とバルマー氏は言った。「検出器を作るだけでも十分複雑です！ シンプルにできるものはすべて、より良いのです。」
人間的要因
機械や設備を現場に運び込むのは一苦労ですが、どんなに優れたツールがあっても、建設は人によって行われなければなりません。ルービンでは、建設期間中、毎日100人以上の作業員が現場に常駐することがあります。「労働力、つまり人的要因への負担は、他の何よりも大きな課題だと思います」とバー氏は言います。「本当に過酷な環境なのです。」
作業員たちは、山頂特有の寒さ、強風、埃っぽさ、そして高地の環境に耐えなければならないだけでなく、現場までの移動にも数時間かかるため、多くの作業員は毎日12時間も家を離れ、朝6時に出発する。「私にとって本当に素晴らしいのは、まさに人々です」とバー氏は語る。「彼らはあのような環境で働き、厳しい仕事を成し遂げることができるのです。」
このようなプロジェクトは、構想から設計、建設、運用開始、そして観測所の稼働まで数十年かかるため、当初建設を推進した人々が科学研究を始める頃には既に退職している可能性も十分にあります。しかし、それは必ずしも問題ではありません。なぜなら、前の世代の人々が、キャリアを始めたばかりの新しい世代の科学者のためにツールを開発し、受け継いでいるからです。
バルマー氏は、将来に対する義務感は新しい重力波検出器を建造する動機の一部だが、どうすればそれが実現できるかを考えることには喜びもあると語った。
「これはある意味、次世代の物理学者への貢献なのです。」
「これはある意味で、次世代の物理学者への貢献と言えるでしょう」とバルマー氏は述べた。「しかし同時に、じっくりと腰を据えてこれらの装置で何ができるのかを考えてみれば、つまり、最初の星に至るまですべてのブラックホールを観測できる装置を作れること、ウェッブ望遠鏡でさえ解像が難しい銀河系内の恒星サイズの天体から発生する現象を観測できることを考えれば、それを実現しようとしないのは、ほとんど犯罪と言えるでしょう。」
